Описание установки

Внутри трубчатой печи 1 (рис. 5), нагреваемой электрическим током от автотрансформатора 2, находится образец полупроводника 3 в форме узкого параллелепипеда с закрепленными на концах металлическими контактами. При этом один из концов образца выходит за пределы печи (зоны нагрева) и для отвода тепла прикреплен к металлическому радиатору.

Образец полупроводника - кремние­вого "чипа" является невырожденным полупроводником с примесной проводимостью, резко изменяющейся с температурой. При нагреве печи один из концов полупроводника нагревается больше, чем другой, поэтому между ними возникает термо-э.д.с. Кроме того, в термо-э.д.с. вносят вклад и контактные разности потенциалов, однако из-за их относительной малости по сравнению с термо-э.д.с. внутри полупроводника в первом приближении ими можно пренебречь.

К концам пластины полупроводника подключена хромель-алюмелевая термопара 4. Разность температур между горячим и холодным концами полупроводника определяется по формуле

= k·V_т-э, (11)

где V_т-э термо-э.д.с. на хромель-алюмелевой термопаре, k = 25·10³ K/B.

Термо-э.д.с. на концах полупроводника измеряется с помощью мультиметра 5 типа CI-I07. Этот же мультиметр используется и для измерения термо-э.д.с. хромель-алюмелевой термопары после изменения положения пе­реключателя 6.

Контрольные вопросы:

1. Каковы причины возникновения термо-э.Д.С.?

Причины возникновения термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.):

Зависимость уровня Ферми от температуры. Если температуры контактов разные, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов. Сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока. 

Диффузия электронов (или дырок). При градиенте температуры происходит диффузия носителей: у охлаждённого конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока.

Увлечение электронов фононами. Третья составляющая термоЭДС возникает вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии — фононами, поток которых также распространяется к холодному концу. 

2. Как рассчитывается термо-э.Д.С. В проводниках и полупро­водниках без наличия контактов с другими материалами?

В небольшом интервале температур термоЭДС можно считать пропорциональной разности температур с коэффициентом пропорциональности α (коэффициент термоЭДС, удельной термоЭДС):  

U = α (T1 - T2).  

Здесь U — термоЭДС, T1 и T2 — температуры горячего и холодного контактов.  

Коэффициент α определяется материалами проводников, но зависит также от температуры. В некоторых случаях с изменением температуры он меняет знак.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников значение термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. 

3. Как вычисляется внутренняя контактная разность потенциалов?

Внутренняя контактная разность потенциалов вычисляется как разность положений нижних краёв энергетической зоны в первом и втором металле, отнесённая к заряду электрона.  

Для объяснения этого явления используют модель свободных электронов и зонную теорию.  

Величина внутренней контактной разности потенциалов зависит от химической природы металлов и их температуры, не зависит от геометрической формы и площади соприкосновения. 

4. Как вычисляется внешняя контактная разность потенциалов?

Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода, отнесённой к заряду электрона.  

Внешняя контактная разность потенциалов возникает при соприкосновении двух различных твёрдых проводников с одинаковой температурой. Её величина зависит от химической природы металлов и их температуры, но не от геометрической формы и площади соприкосновения. 

5. Изобразите распределение потенциала в цепи, составленной из двух проводников при одинаковой температуре спаев.

6. Изобразите распределение потенциала в цепи, составленной из двух проводников при различных температурах спаев.

7. Как вычисляется термо-э.д.с. цепи, составленной из двух проводников?

В небольшом интервале температур (от 0 °C до 100 °C) термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) цепи, составленной из двух проводников, вычисляется по формуле U = α (T1 – T2).  

В этой формуле:

U — термоЭДС; 

α — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Зеебека или термоэлектрической способностью пары; 

T1 и T2 — температуры горячего и холодного контактов.  

Коэффициент α определяется материалами проводников, но зависит также от температуры.  

Величина термоЭДС зависит от температур контактов и материалов проводников. 

8. Почему в металлах термо-э.д.с. имеет гораздо меньшие значения, чем в полупроводниках?

Термо-ЭДС в металлах имеет меньшие значения, чем в полупроводниках, из-за различий в структуре кристаллической решётки.  

В металлах есть система полной ионизации матричных атомов, концентрация которых не изменяется при изменении температуры. Поэтому контактная разность потенциалов также практически не зависит от температуры. Из-за этого термо-ЭДС металлов измеряется микровольтами, максимум — десятками микровольт, на один градус различия температур контактов.  

В полупроводниках, в свою очередь, наблюдается значительная зависимость от температуры кинетической энергии и концентрации свободных носителей заряда, а также контактного потенциала и связанного с ним уровня Ферми. Это приводит к увеличению термо-ЭДС до долей вольта на градус разности температур.